مقدمه ای بر انواع پیلهای سوختی و شناخت فنی پیل سوختی متانولی

1 مقدمه

یکی از موارد مهمی که بشر از ابتدا به عنوان یک چالش اساسی با آن مواجه بوده است یافتن روشهای نوین و پر بازده تبدیل انرژی سوختها به انرژی قابل استفاده بوده است شاید بتوان اولین تجربه انسان در این راه را ساخت ماشینهای اولیه بخار دانست این ماشینها دارای راندمان بسیار پایین بودند بعد از اختراع موتورهای احتراق داخلی توسط اتو این راندمان نسبتا بهبود یافت و به مرز 7 % در موتورهای اولیه رسید با پیشرفت علم ترمودینامیک سیکلهای احتراقی بهتری پا به عرصه گذاشتند هر چند برخی از آنها یا قابل اجرا نبودند یا با مشکلات ساخت و تجهیزات پیچیده مواجه بودند. بهترین سیکل حرارتی کاربردی که تا کنون مورد استفاده بشر قرار گرفته است سیکل ترکیبی برایتون – رانکین می باشد که در نیروگاههای حرارتی تولید برق مورد استفاده قرار گرفته است و بازده آن قریب به 45 % می باشد اما امروزه بشر به فن آوری جالب پیل سوختی به عنوان جانشین بسیار مناسب برای موتورهای احتراق داخلی می اندیشد از آنجاییکه این وسیله از سیکل کارنو تبعیت نمی کند و بصورت مستقیم و بواسطه فرآیند الکتروشیمیایی ، انرژی شیمیایی سوخت را به انرژی الکتریکی تبدیل می نماید می توان بسته به نوع سوخت راندمانی بین 80 % برای سوخت هیدروژن خالص و 30 % برای گاز متان داشته باشد.

امروزه پیل سوختی به یک رقیب مناسب برای توربینهای گاز در نیروگاهها ، موتورهای احتراق داخلی در خودروها و باطریها در کامپیوترهای کیفی تبدیل شده است جریان مستقیم تولید شده توسط پیل سوختی را می توان برای کاربردهای الکتریکی بویژه بکارانداختن موتورهای الکتریکی و روشنایی استفاده نمود.

یکی از شیوه های اساسی که تکنولوژی آن در دهه اخیر به سرعت توسعه یافته است استفاده از پیلهای سوختی جهت تأمین همزمان الکتریسیته و حرارت به روش الکتروشیمیایی می باشد در این روش که به عبارتی می توان آن را عمل الکترولیز معکوس قلمداد کرد انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوختهای فسیلی بدون احتراق استخراج می گردد این سیستمها در مقایسه با سایر روشها از کارائی زیادی برخوردار بوده و آلودگی بسیار کمی تولید می کند. با توجه به اینکه پیلهای سوختی بصورت شیمیایی برق تولید می کنند خیلی بهتر از احتراق خواهند بود آنها محدودیت قوانین ترمود ینامیک را که واحدهای تولید قدرت مرسوم دارند ندارند بنابراین پیلهای سوختی بازده بسیار بیشتری در تولید انرژی از یک سوخت خواهند داشت همچنین با افزایش هر چه بیشتر بازدهی سیستم می توان اتلاف گرما از بعضی سلولها را مهار کرد.

همانطور که می دانیم در اتومبیل ها وسایل زیادی نظیر کولر، گرم کن، رادیو و ... با نیروی مکانیکی تولید شده و یا با باتری داخل اتومبیل تغذیه می شوند. بنابراین اگر در هنگام حرکت از این وسایل استفاده شود مقداری از نیروی موتور صرف تغذیه ی این وسایل می شود. و می توان گفت که استفاده از این وسایل تقریبا مداوم و بی وقفه است. یکی از اولین کاربرد های پیل های سوختی مذکور تامین انرژی لازم برای وسایلی نظیر کولر ، بخاری ، رادیو و ... در اتومبیل های سنگین است. در حالتی که اینگونه اتومبیل ها در جا کار نمی کنند بلکه در حال حرکت هستند. زیرا اگر انرژی لازم برای این وسایل در حالت درجا کار کردن از موتور گرفته شود مشکلی به وجود نمی آید. اما اگر اتومبیل در حال حرکت باشد مقداری از نیروی موتور به جای اینکه صرف جلو بردن اتومبیل شود صرف به کار انداختن این وسایل می شود.

1-2 پیل سوختی چیست؟

پیل سوختی واحدی است که بوسیله واکنش شیمیایی برق تولید می کند هر پیل سوختی دو عدد الکترود دارد که یکی مثبت و دیگری منفی میباشد که بطور عام کاتد و آند نامیده می شوند واکنشهایی که تولید الکتریسیته می کنند در الکترودها اتفاق می افتد.

همچنین هر پیل سوختی یک الکترولیت دارد که ذرات دارای بار الکتریکی رااز یک الکترود به الکترود دیگر منتقل می کند و یک کاتالیست که انجام واکنش در الکترودها را تسریع می کند .

هیدروژن سوخت اصلی است ولی پیلهای سوختی به اکسیژن نیز نیاز دارند یکی از مزیتهای بزرگ پیلهای سوختی تولید الکتریسیته با ایجاد حداقل آلودگی میباشد بیشتر اکسیژن و هیدروژنی که در تولید الکتریسیته بکار میرود در نهایت با ترکیب شدن با یکدیگر تولید آب می کنند.

یک پیل سوختی ساده تولید مقدار کوچکی از جریان برق ( DC ) می کند در عمل بسیاری از پیلهای سوختی بصورت یک سری سوار می شوند.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

پیل سوختی در واقع یک وسیله الکتروشیمیایی است که بطور مداوم انرژی شیمیایی یک سوخت را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند ( اکسیداسیون سوخت ) یک پیل سوختی، سوخت و اکسید کننده را در الکترودهای جداگانه دریافت کرده و انرژی شیمیایی اضافی را به جریان الکتریسیته مستقیم تبدیل می نماید پیلهای سوختی سریع و تمییز بوده و محصول جانبی آنها آب دی اکسید کربن و گاهی نیتروژن می باشد.

در باتری ها الکترود ها در طول شارژ یا دشارژ دچار تغییر شیمیایی می شوند. اما در پیل سوختی از آنجا که الکترود ها کاتالیزور هستند دچار تغییر شیمیایی نمی شوند.

شکل1-1 شمای کلی یک سلول سوختی

سازه و بدنه اصلی پیلسوختی از الکترولیت، الکترود آند و الکترود کاتد تشکیل شده است. نمای کلی یک پیل‌سوختی به همراه گازهای واکنش دهنده و تولید شده و مسیر حرکت یونها در شکل 2-1 ارائه شده است.

شکل1-2 نمای کلی یک پیل‌سوختی به همراه گازهای واکنش دهنده و تولید شده و مسیر حرکت یونها

پیل سوختی یک دستگاه تبدیل انرژی است که به لحاظ نظری تا زمانی که ماده اکسید کننده و سوخت در الکترودهای آن تأمین شود قابلیت تولید انرژی الکتریکی را دارد. البته در عمل استهلاک، خوردگی و بد عمل کردن اجزای تشکیل دهنده، طول عمر پیل‌سوختی را کاهش می‌دهد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

در یک پیل‌سوختی، ‌ به طور پیوسته هیدروژن به الکترود آند و اکسیژن به الکترود کاتد تزریق می‌شود و واکنش‌های الکتروشیمیایی در الکترودها انجام شده و با ایجاد پتانسیل الکتریکی جریان الکتریکی برقرار می‌گردد. اگرچه پیل‌سوختی اجزاء و ویژگیهای مشابه یک باطری را دارد اما از بسیاری جهات با آن متفاوت است. باطری یک وسیله ذخیره انرژی است و بیشترین انرژی قابل استحصال از آن به وسیله میزان ماده شیمیایی واکنش دهنده که در خود باطری ذخیره شده است (عموماً در الکترودها) تعیین می‌شود. چنانچه ماده واکنش دهنده در باطری کاملاً مصرف شود، تولید انرژی الکتریکی متوقف خواهد شد (باطری تخلیه می‌شود). در باطری های نسل دوم ماده واکنش دهنده با شارژ مجدد، دوباره احیا می‌شود که این عمل مستلزم تأمین انرژی از یک منبع خارجی است. در این حالت نیز انرژی الکتریکی ذخیره شده در باطری محدود و وابسته به میزان ماده واکنش دهنده در آن خواهد بود.گاز‌ اکسید کننده نظیر هوا یا اکسیژن خالص در الکترود کاتد که با صفحه الکترولیت در تماس است جریان پیدا می‌‌کند و با اکسیداسیون الکتروشیمیایی سوخت که معمولاً هیدروژن است و با احیاء اکسید کننده انرژی شیمیایی گازهای واکنش‌گر به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

شکل1-4 طرز کار پیل سوختی

از نظر تئوری، هر ماده‌ای که به صورت شیمیایی قابل اکسید شدن باشد و بتوان آن را به صورت پیوسته (به صورت سیال) به پیل‌سوختی تزریق کرد، می‌تواند به عنوان سوخت در الکترود آند پیل‌سوختی مورد استفاده قرار گیرد. به طور مشابه ماده اکسید کننده سیالی است که بتواند با نرخ منا‌‌سبی احیا شود.

گاز هیدروژن به دلیل تمایل واکنش دهندگی بالا به همراه چگالی انرژی بالا به عنوان سوخت ایده‌آل در پیل‌سوختی مورد استفاده قرار می‌گیرد. هیدروژن را می‌توان از تبدیل هیدروکربن‌ها از طریق واکنش ‌کاتالیستی، تولید و به صورتهای گوناگون ذخیره سازی‌کرد. اکسیژن مورد نیاز در پیل‌سوختی به طور مستقیم از هوا تهیه می‌شود. بر روی سطح الکترودهای آند و کاتد پیل‌سوختی واکنش اکسیداسیون و احیاء در ناحیه سه فازی (و در صورت جامد بودن الکترولیت دو فازی) نزدیک سطح مشترک واکنش دهنده‌ها، کاتالیست و الکترولیت صورت می‌گیرد. این ناحیه سه فازی نقش مهمی در عملکرد الکتروشیمیایی پیل‌سوختی به ویژه پیل‌های‌سوختی با الکترولیت مایع دارد. در اینگونه پیل‌های‌سوختی، گازهای واکنش دهنده از میان یک لایه نازک از الکترولیت که سطح الکترودهای متخلخل را پوشانده است عبور کرده و واکنش الکتروشیمیایی مناسب روی سطح الکترود مربوطه انجام می‌شود. چنانچه الکترود متخلخل حاوی مقادیر بیش از حد الکترولیت باشد الکترود در اصطلاح غرق شده و به این ترتیب انتقال واکنشگرهای گازی محلول در الکترولیت به مکان‌های واکنش محدود می‌شود. در نتیجه عملکرد الکتروشیمیایی الکترود متخلخل تضعیف می‌شود. لذا ضروری است که در ساختار الکترودهای متخلخل یک تعادل مناسب بین الکترود، الکترولیت و فاز گازی ایجاد شود.

تلاش‌های اخیر جهت بهبود عملکرد واکنش الکترو‌شیمیایی، کاهش هزینه‌های تولید، کاهش ضخامت اجزای پیل‌سوختی و در عین حال اصلاح و بهبود ساختار الکترودها و فاز الکترولیت متمرکز شده است. الکترولیت با هدایت یون‌ها بین الکترودها سبب تکمیل مدار الکتریکی پیل‌سوختی می‌شود. الکترولیت یک مانع فیزیکی بین سوخت و گاز اکسیژن ایجاد می‌کند و مانع اختلاط مستقیم آنها می‌شود. وظیفه صفحات الکترود متخلخل در پیل‌سوختی شامل موارد زیر است:

1 ایجاد یک سطح فعال و مناسب که واکنش های الکتروشیمیایی روی این سطوح انجام می‌شود.

2 هدایت یونهای حاصل از واکنش به داخل یا خارج از ناحیه تبادل سه فازی و انتقال الکترون‌های تولیدی به مدار خارجی (الکترودها باید هدایت الکتریکی خوبی داشته باشد).

برای افزایش سطح تماس واکنش دهنده‌ها با کاتالیست لازم است که ساختار الکترود، متخلخل بوده و میزان سطح در دسترس و پوشش داده شده توسط کاتالیست نسبت به حجم الکترود زیاد باشد. ساختار متخلخل، دسترسی راحت اجزاء واکنش دهنده به مراکز فعال را میسر می‌سازد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

همانطور که گفته شد تلاش می شود تا انرژی لازم برای فعالیت وسایل اتومبیل ها که در حال حرکت هستند از پیل ها گرفته شود.اما تلاش می شود تا همه دستگاههای اتومبیل (از قبیل پمپ ها، فن ها و ...) که به صورت مکانیکی تغذیه می شوند از این به بعد به صورت الکتریکی تغذیه شوند. زیرا هم باعث کاهش آلودگی صوتی می شود و هم در مصرف حدود 8% سوخت صرفه جویی می شود. همچنین می توان از این پیلها برای تغذیه ی ماشینهای یخچال دار مواد غذایی نیز استفاده کرد.

1-3 تاریخچه پیل سوختی

سر هامفری دیول در سال 1820 میلادی پیل سوختی بسیار ساده ای ساخت. گر چه این اختراع با اهمیت تلقی نشد اما پیل سوختی او امکان تولید شوک الکتریکی بسیار ساده ای را فراهم کرد .کریستیان فردریش دانشمند سوئیسی در ژانویه 1839 میلادی مقاله هایی با عنوان پیل سوختی اکسیژن • هیدروژن در مجله فلسفیکال مگزین منتشر کرد. در همان سال سر ویلیام روبرت گرو پدرپیل سوختی در مورد روش اتصال سری-موازی کردن باطری روی پلاتینیوم تحقیق می کرد. سر ویلیام گرو مخترع وفیزیکدان از اهل انگلستان برای اولین بار نظریه تولید برق توسط پیلهای سوختی را در این سال تجربه کرد. او آزمایشاتی در مورد تولید اکسیژن و هیدروژن از الکترولیز آب انجام می داد.گرو مشاهده کرد اگر جریان منبع تغذیه در این آزمایش قطع گردد جریان کوچک ولی قابل اندازه گیری در جهت مخالف جاری میشود .او کشف کرد علت این جریان کوچک واکنش بین هیدروژن واکسیژن والکترولیت است. او برای اولین بار در فوریه 1839 این پدیده را پیل سوختی نامید. برای آزمایش این تئوری او دوالکترود از جنس پلاتینیم را در دوظرف جداگانه قرار داد. یکی از ظرفها شامل هیدروژن ودیگری شامل اکسیژن بود.ولی دو ظرف را در اسید سولفوریک غوطه ور کرد.جریان معین بین دو الکترود جاری شد.گرو برای افزایش ولتاژ تولیدی پیل خود تعدادی ازاین تجهیزات را سری کرد.او این وسیله را برای اولین بار باطری گازی نامید.

شکل1-5 اولین پیل سوختی سر ویلیام گرو

واژه "پیل‌سوختی" در سال 1889 توسط لودویک مند و چارلز لنجر به کار گرفته شد. آنها نوعی پیل‌سوختی که هوا و سوخت ذغال‌سنگ را مصرف می‌کرد، ساختند. تلاش‌های متعددی در اوایل قرن بیستم در جهت توسعه پیل‌سوختی انجام شد که به دلیل عدم درک علمی مسئله هیچ یک موفقیت آمیز نبود. علاقه به استفاده از پیل سوختی با کشف سوخت‌های فسیلی ارزان و رواج موتورهای بخار کمرنگ گردید.

فصلی دیگر از تاریخچه تحقیقات پیل‌سوختی توسط فرانسیس بیکن از دانشگاه کمبریج انجام شد. او در سال 1932 بر روی ماشین ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسیاری انجام داد. این اصلاحات شامل جایگزینی کاتالیست گرانقیمت پلاتین با نیکل و همچنین استفاده از هیدروکسیدپتاسیم قلیایی به جای اسید سولفوریک به دلیل مزیت عدم خورندگی آن می‌باشد. این اختراع که اولین پیل‌سوختی قلیایی بود،“Bacon Cell” نامیده شد. او 27 سال تحقیقات خود را ادامه داد تا توانست یک پیل‌سوختی کامل وکارا ارائه نماید. بیکون در سال 1959 پیل‌سوختی با توان 5 کیلووات را تولید نمود که می‌توانست نیروی محرکه یک دستگاه جوشکاری را تامین نماید.

تحقیقات جدید در این عرصه از اوایل دهه 60 میلادی با اوج گیری فعالیت‌های مربوط به تسخیر فضا توسط انسان آغاز شد. مرکز تحقیقات ناسا در پی تامین نیرو جهت پروازهای فضایی با سرنشین بود. ناسا پس از رد گزینه‌های موجود نظیر باتری (به علت سنگینی)، انرژی خورشیدی (به علت گران بودن) و انرژی هسته‌ای (به علت ریسک بالا) پیل‌سوختی را انتخاب نمود. تحقیقات در این زمینه به ساخت پیل‌سوختی پلیمری توسط شرکت جنرال الکتریک منجر شد. ایالات متحده فن‌آوری پیل سوختی را در برنامه فضایی Gemini استفاده نمود که اولین کاربرد تجاری پیل‌سوختی بود.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

از سال 1970 فنآوری پیل‌سوختی برای سیستم‌های زمینی توسعه یافت. تحریم نفتی از سال1973-1979 موجب تشدید تلاش دولتمردان امریکا و محققین در توسعه این فن‌آوری به جهت قطع وابستگی به واردات نفتی گشت. در طول دهه 80 تلاش محققین بر تهیه مواد مورد نیاز، انتخاب سوخت مناسب و کاهش هزینه استوار بود. همچنین اولین محصول تجاری جهت تامین نیرو محرکه خودرو در سال1993 توسط شرکت بلارد ارائه شد.

1-4 معرفی انواع پیل سوختی

انواع مختلفی از پیلهای سوختی وجود دارد که هر یک تا حدودی متفاوت عمل می کنند ولی بطور عمومی اتمهای هیدروژن در آند وارد پیل سوختی می شوند جایی که یک واکنش شیمیایی آنها رااز الکترونهایشان جدا می کند اتمهای هیدروژن در این حالت یونیزه هستند و حامل بار الکتریکی مثبت می باشند. الکترودهای دارای بار منفی باعث تولید جریان در سیمها می شوند که اگر جریان AC نیاز باشد جریان DC خروجی از پیل سوختی باید از یک واحد تبدیل کننده بنام مبدل عبور کند اکسیژن در کاتد وارد پیل سوختی شود و با الکترونهایی که از مدار الکتریکی می آیند ترکیب شوند. در نوع دیگری از سلول ها اکسیژن الکترودها را در طول الکترولیت به سمت آند جایی که با یونهای هیدروژن ترکیب می شوند حمل می کند. در سیستم پیل سوختی الکترولیت نقشی کلیدی ایفا می کند. الکترولیت باید اجازه عبور بین آند و کاتد را فقط به یونهای مناسب و مورد نظر بدهد. اگر الکترونهای آزاد یا مواد دیگری بتوانند از بین الکترولیت عبور کنند می توانند واکنش شیمیایی رادر هم بگسلند. تا زمانی که یک پیل سوختی از نظر هیدروژن و اکسیژن تأمین شود الکتریسیته تولید خواهد کرد.

اساس کار یک پیل سوختی برای توضیح دادن ساده بنظرمی رسد ولی ساخت آن در عمل با هزینه پایین و بازدهی بالا واقعا پیچیده می باشد. دانشمندان و مخترعین انواع مختلفی از پیلهای سوختی را در اندازه های مختلف برای بدست آوردن بازدهی بیشتر و یافتن جزئیات تکنولوژیکی طراحی کرده اند. بسیاری از انتخابهایی که پیش روی سازندگان پیلهای سوختی وجود دارد مربوط به الکترولیت می شوند. به عنوان مثال طراحی الکترودها و موادی که در ساخت آنها بکار می روند به نوع الکترولیت بستگی دارند. وقتی می گوییم پیل سوختی جامد اکسیدی در واقع در مورد الکترولیت صحبت می کنیم. چون الکترولیت از سرامیک که جامد است ساخته شده است. در واقع به این پیلها، پیلهای سوختی سرامیکی می گوییم. ماده ی سرامیکی به کار رفته به یونهای اکسیژن اجازه می دهد تا از میان آن عبور کند. همچنین در کاتد هوا دمیده می شود تا اکسیژن مورد نیاز مهیا شود. اکسیژن از کاتد الکترون می گیرد و به یون تبدیل می شود و در الکترولیت باقی می ماند. یک ماده ی اصلاح کننده در پیل موجود است که سوخت آن را تبخیر می کند و یک کاتالیزور نیز سوخت بخار شده را به هیدروژن و مونواکسید کربن (CO) تجزیه می کند. این مخلوط گازی به سمت آند هدایت می شود. جنس آند متخلخل است. بنابراین مخلوط گازی می تواند با الکترولیت در تماس باشد. کربن منواکسید (CO) دچار اکسایش می شود (الکترون از دست می دهد) و با یون اکسیژن محلول در الکترولیت ترکیب می شود و دی اکسید کربن تولید می کند. همچنین هیدروژن هم با از دست دادن الکترون به پروتون تبدیل می شود. پروتون با یون اکسیژن ترکیب می شود و آب تولید می شود. سپس این مواد از طرف آند خارج می شوند. الکترونهای تولید شده در این واکنش اکسایش-کاهش باعث بوجود آمدن یک اختلاف پتانسیل در دو سر پیل می شود.این اختلاف پتانسیل 40 ولت (DC) است اما می توان آن را به 12 ولت یا حتی ولتاژ AC تبدیل کرد.

پیلهای سوختی را از نظر نوع الکترولیت بکار رفته در آن به 2 نوع کلی زیر می توان تقسیم کرد:

1-- پیل سوختی آلی

2-- پیل سوختی فلزی

پیلهای سوختی آلی را می توان از لحاظ دمای عملکرد و میزان بازده به موارد زیر تقسیم نمود:

1-- پیل سوختی اسید فسفریک Phosphoric acid fuel cell (PAFC)

2-- پیل سوختی قلیایی alkaline fuel cell (AFC)

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

4-- پیل سوختی اکسید جامد solid oxide fuel cell (SOFC)

5-- پیل سوختی متانولی Direct methanol fuel cell (DMFC)

6-- پیل سوختی سرامیکی پروتونی

7-- پیل‌سوختی پلیمری

پیلهای سوختی فلزی را می توان به موارد زیر تقسیم نمود:

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

2-- پیل سوختی آلومینیوم – هوا Aluminum• air fuel cell (AAFC)

3-- پیل سوختی منیزیم – هوا Magnesium• air fuel cell (MAFC)

4-- پیل سوختی آهن – هوا Iron• air fuel cell (IAFC)

5-- پیل سوختی لیتیم – هوا Lithium• air fuel cell (LAFC)

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

در ادامه در مورد بعضی از مهم ترین انواع پیل های سوختی مرور کلی می کنیم.

 

1-4-1 پیل‌سوختی اسید فسفریک

پیل‌سوختی اسید فسفریک اولین پیل‌سوختی تجاری می باشد که توسعه آن از اواسط دهه 1960 آغاز گشت و از سال 1970 در مرحله آزمایش قرار گرفت و همچنان در حال توسعه در زمینه افزایش پایداری و عملکرد و کاهش هزینه می‌باشد. الکترولیت مورد استفاده در این پیل‌سوختی اسیدفسفریک با غلظتی در حدود %100 می‌باشد. محدوده دمای کارکرد این پیل‌سوختی بین 150 تا 220 درجه سانتیگراد است. هدایت یونی در اسیدفسفریک نسبتاً ضعیف است ولی به علت پایداری بیشتر نسبت به سایر اسیدها جهت استفاده در این نوع پیل‌سوختی ارجحیت دارد. پیل‌سوختی اسیدفسفریک به CO2 حساسیتی نداشته و حضور CO تا حد 2-1 درصد مشکلی ایجاد نمی‌کند. کاتالیست مورد استفاده در پیل‌سوختی اسید فسفریک پلاتین و ماتریسی که برای نگه‌داری اسید به کار می‌رود از جنس کاربید سیلیکون (SiC) است. بازده الکتریکی این نوع پیل‌سوختی در حد 45%-40% است که با استفاده از حرارت حاصل از واکنش‌های الکتروشیمیایی در کاربردهای توامان برق و حرارت میزان بازده کلی (الکتریکی و حرارتی) به 85% افزایش می‌یابد. اکنون پیل‌های‌سوختی اسیدفسفریک با توان 200 کیلووات مشغول به کار می‌باشد و واحدهایی با توان 11 مگاوات در حال تست هستند.

شکل1-6 پیل‌سوختی اسید فسفریک

سوخت مورد استفاده در پیل‌سوختی اسیدفسفریک هیدروژن می‌باشد و یون هیدروژن H+ نقش حامل بار را ایفاء می‌کند. همانند پیل‌های سوختی پلیمری هیدروژن در آند به پروتون و الکترون تفکیک شده و پروتون از طریق الکترولیت و الکترون از طریق مدار بیرونی به کاتد منتقل می‌شوند. در کاتد الکترون‌ها، یون‌های هیدروژن و اکسیژن واکنش داده و آب تولید می‌گردد. واکنش‌های آند، کاتد و واکنش کلی پیل در ذیل ارائه شده است:

واکنش آند- 2 H2(g) => 4 H+ + 4 e-

واکنش کاتد- O2(g) + 4 H+ + 4 e• => 2 H2O(l)

واکنش کلی - 2 H2 (g)+ O2(g) => 2 H2O(l)

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

تامین هیدروژن مورد نیاز برای پیل‌سوختی اسیدفسفریک با به کارگیری یک مبدل خارجی انجام می‌گیرد که در آن سوخت هیدروکربن به هیدروژن تبدیل می‌شود. وجود گوگرد حتی در کمترین مقدار موجب صدمه دیدن کاتالیست می‌شود. از این رو جداسازی کامل سولفور از سوخت هیدروکربنی مصرفی امری ضروری می‌باشد. گرمای بوجود آمده در پیل‌سوختی اسیدفسفریک می‌تواند در کاربرد ترکیبی گرما و برق مورد استفاده قرار گیرد.

از نکاتی که می‌بایست در پیل‌سوختی اسیدفسفریک مدنظر قرار گیرد، مقاومت اجزای آن می‌باشد، که بایستی در برابر خورندگی اسید مقاومت بالایی از خود نشان دهند. (نیاز به دانلود ترجمه)

یکی از مهمترین کاربردهای پیل‌سوختی اسیدفسفریک، در مصارف (on-site) (نیاز به دانلود ترجمه) یا نیروگاه‌های غیر متمرکز نصب شده در محل مصرف است که در زمان حاضر یکی از موثرترین کاربردهای این گونه پیل‌های‌سوختی است. در این حالت مولد پیل‌سوختی اسیدفسفریک به طور مستقیم در محل مصرف نصب می‌شود و از حرارت و الکتریسیته تولیدی به طور همزمان استفاده می‌گردد.

پیل‌سوختی اسید فسفریک اولین تکنولوژی پیل‌سوختی است که به صورت تجاری در دسترس قرار گرفته است. سیستم‌هایی از این نوع که در حال حاضر در دسترس هستند در خانه‌ها و هتل‌ها و بیمارستان‌ها وبرخی واحدهای الکتریکی نصب شده است. بعضی از این واحدها دارای مشخصات تجاری بوده و ضمانت سازندگانشان را به همراه دارند. به طور مثال سیستمی که در شکل11 مشاهده می‌شود یک سیستم 200 کیلووات از شرکت ONSI است که از سال 1997 در واحد تصفیه‌خانه فاضلاب در نیویورک نصب شده است.

1-4-2 پیل‌سوختی قلیایی

پیل‌سوختی قلیایی یکی از فن‌آوری‌های توسعه یافته می‌باشد که از اواسط دهه 60 در برنامه آپولو و شاتل‌های فضایی ناسا به‌ کار گرفته شد. پیل‌سوختی در این فضاپیماها هم برق جانبی مورد نیاز و هم آب آشامیدنی را تامین می‌نماید. در این نوع پیل از اکسیژن و هیدروژن استفاده شده و الکترولیت آن نیز عموماً محلول هیدروکسید پتاسیم است.

دمای عملیاتی از 150 تا 220 درجه سانتیگراد متغیر است و غلظت الکترولیت هیدروکسید پتاسیم نیز با دما تغییر می‌کند. الکترولیت مورد استفاده که محلول برپایه آب است معمولاً در یک ماتریس متخلخل (از جنس آزبست) نگهداری می‌شود. بازده این نوع پیل‌سوختی درحدود %70 است و دانسیته توان آن در حد 300-100 است. طول عمر این پیل‌سوختی بیش از 10000 ساعت می‌باشد.

شکل1-7 پیل‌سوختی قلیایی

الکتروکاتالیست در پیل‌سوختی قلیایی شامل نیکل، نقره و اکسید‌های ‌فلزات است. در میان پیل‌های ‌سوختی دما پایین، پیل‌ سوختی قلیایی تنها نوعی است که قابلیت کاربرد کاتالیست‌های فلزات معمولی در آن وجود دارد.

در این پیل‌سوختی یون‌های هیدروکسیل (• OH) از کاتد به آند می روند و با هیدروژن واکنش داده و تولید آب و الکترون می‌کنند. الکترون‌های بوجود آمده در آند توسط یک مدار خارجی توان الکتریکی تولید می‌کنند. این مدار خارجی الکترون‌ها را به کاتد باز می‌گرداند. آب تولید شده در آند به کاتد برگشته و در آنجا با الکترون‌ها و اکسیژن واکنش داده و موجب ساخته شدن یون‌های هیدروکسیل بیشتری می‌شوند. این یون‌ها درون الکترولیت نفوذ کرده و واکنش ادامه پیدا می‌کند واکنش‌های شیمیایی در آند و کاتد در ذیل آمده است . براساس این واکنش‌ها پیل‌سوختی الکتریسیته و حرارت را به عنوان محصول جانبی تولید می‌کند.

واکنش آند- 2 H2 + 4 OH• => 4 H2O + 4 e-

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

واکنش کلی پیل- 2 H2 + O2 => 2 H2O

از خصوصیات پیل‌سوختی قلیایی حساسیت زیاد آن به CO2موجود در هوا و یا سوخت است. CO2 سریعاً با الکترولیت واکنش داده و موجب کاهش عملکرد پیل‌سوختی می‌گردد. لذا این نوع پیل‌سوختی بایستی در محیط بسته باشد و از اکسیژن و هیدروژن خالص استفاده کند و از واکنش‌های شیمیایی اضافی و ایجاد کربنات جامد جلوگیری ‌شود.

جنبه مثبت پیل‌سوختی قلیایی تولید ارزان است. کاتالیست مورد استفاده در این نوع پیل از مواد متنوعی از قبیل نیکل، نقره و اکسید فلزات است که از کاتالیست‌های سایر پیل‌های سوختی ارزانتر است.

به علت احتمال نشت الکترولیت مایع و حساسیت به آلودگی پیل‌سوختی قلیایی برای کاربردهای حمل و نقلی مناسب نیست. عملکرد یک پیل‌سوختی قلیایی را در شکل1-8 می‌بینید.

شکل1-8: نحوه عملکرد یک پیل سوختی قلیایی

همچنین به دلیل دمای پایین کارکرد و در نتیجه شروع به کار سریع پیل‌سوختی کاربرد پیل‌سوختی قلیایی به کاربردهای فضایی کوچک و صنایع نظامی خاص محدود می‌شود.

1-4-3 پیل‌سوختی کربنات مذاب

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

شکل1-9 پیل‌سوختی کربنات مذاب

برای ذوب کربنات نمک و دستیابی به هدایت یون بهتر در الکترولیت، پیل‌سوختی کربنات مذاب در دمای بالا ( 600 تا700 درجه سانتیگراد )کار می‌کند. از این رو این پیل‌ها در خانواده پیل های سوختی دما بالا طبقه‌بندی می‌شوند.

یون‌های هادی در این پیل‌سوختی کربنات (CO32-)می باشند. این یون‌ها از کاتد به آند منتقل می‌گردد. در آند، هیدروژن با این یون‌ها واکنش داده و دی اکسید کربن، آب و الکترون تشکیل می‌دهد. الکترون‌ها توسط یک مدار خارجی از آند به کاتد منتقل می‌شود و برق تولید می‌کند. اکسیژن هوا با دی اکسید کربن بازیافت شده از آند با الکترون ها واکنش می‌دهد و یون‌های CO32-را بوجود می‌آورد و الکترولیت را سرشار از یونها CO32• می‌کند. واکنش‌ها به شرح ذیل است:

واکنش آند- CO32• + H2 => H2O + CO2 + 2e-

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

واکنش کلی پیل- H2(g) + ½O2(g) + CO2 (cathode) => H2O(g) + CO2 (anode)

 

شکل1-10 نحوه عملکرد یک پیل سوختی کربنات مذاب

گرما به عنوان محصول فرعی برای تولید بخار فشار بالا استفاده می‌شود که در صنعت کاربرد زیادی دارد. میزان بازده سوخت در این پیل‌سوختی در حدود %60 درصد است ولی با بازیافت حرارتی در سیستم‌های توامان برق و حرارت بازده به بیش از %75 می‌رسد. دانسیته توان در این پیل‌سوختی در حدود 200100 است. این نوع پیل‌سوختی طول عمری بیش از 40000 ساعت از خود نشان داده است.

پیل‌های سوختی کربنات مذاب بر خلاف پیل‌های سوختی اسید فسفریک و قلیایی حساسیت کمتری نسبت به مسمومیت مونوکسید کربن دارند و همین امر سبب می‌گردد که امکان استفاده از این سوخت‌هایی که بر پایه ذغال سنگ می‌باشند در این نوع پیل‌سوختی وجود داشته باشد. پیل‌های سوختی کربنات مذاب با کاتالیست‌های نیکلی که ارزان‌تر از کاتالیست‌های پلاتینی هستند عملکرد بسیار خوبی از خود نشان دادند. واحدهای تولیدی از این نوع پیل‌سوختی تا ظرفیت 2 مگاوات وجود دارند. و طراحی‌های مربوط به واحدهای 50 الی 100 مگاوات نیز انجام شده است.

پیل‌سوختی کربنات در مقایسه با سایر پیل‌های ‌سوختی دما بالا دارای دو مشکل می‌باشد، یکی از این مشکلات پیچیدگی کار با الکترولیت مایع است. دومین مشکل باقیمانده‌های واکنش شیمیایی در پیل‌سوختی کربنات مذاب است. یون‌های کربنات الکترولیت در واکنش‌های آند استفاده می‌شوند بنابراین نیاز داریم که توسط تزریق دی اکسید کربن در کاتد این مقدار را جبران کنیم.

دمای بالای عملکرد پیل‌سوختی‌ کربنات مذاب کاربرد این گونه پیل‌های‌سوختی را محدود به نیروگاه‌های بزرگ تولید الکتریسیته کرده و امکان استفاده از آن در کاربردهای کوچک و یا حتی خانگی وجود ندارد. دمای بالای کارکرد این نوع پیل‌سوختی‌ مزایای ویژه‌ای را نیز به همراه دارد. یکی از مهم‌ترین مزایای دمای بالای کارکرد این نوع پیل‌سوختی‌ قابلیت تبدیل سوخت در داخل پیل‌سوختی‌ است به این معنی که سوخت مصرفی مانند گازطبیعی به طور مستقیم در پیل‌سوختی‌ مورد استفاده قرار می‌گیرد. از مزایای دیگر این نوع پیل‌سوختی امکان استفاده از گرمای تولیدی در پروسه‌های شیمیایی و در تولید بخار و انتقال بخار حاصل به توربین‌های بخار جهت تولید الکتریسیته است.

1-4-4 پیل‌سوختی اکسید جامد

توسعه پیل‌سوختی اکسید جامد (SOFC) از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در حال حاضر بالاترین دما را در میان انواع پیل‌سوختی دارد. محدوده دمای عملکرد این پیل600 • 1000 درجه سانتیگراد است و به همین دلیل از انواع سوخت‌ها در آن می‌توان استفاده نمود. این پیل‌سوختی دو ساختار صفحه ای و لوله‌ای دارد و از الکترولیت جامد سرامیکی نازکی به جای الکترولیت مایع استفاده می‌شود.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

در دمای عملکرد بالا در پیل‌سوختی اکسید جامد یون‌های اکسیژن (با بار منفی) از شبکه کریستالی(عموماً ترکیبی از اکسید زیرکنیم و اکسید کلسیم) عبور می‌کنند. در کاتد ملکول‌های اکسیژن هوا با چهار الکترون ترکیب می‌شوند. وقتی یک سوخت گازی حاوی هیدروژن از آند عبور کند، یک جریان شارژ شده منفی شامل یون‌های اکسیژن از الکترولیت عبور می‌کند تا سوخت را اکسید کنند. الکترون های ایجاد شده در آند از یک مدار خارجی عبورمی کنند و به کاتد می روند. با این کار مدار الکتریکی کامل شده و انرژی برق تولید می‌شود. پیل‌های سوختی اکسید جامد نیاز به مبدل خارجی ندارند. واکنش‌های پیل‌سوختی اکسید جامد به صورت زیر است:

واکنش آند- 2 H2 + 2 O2• => 2 H2O + 4 e-

واکنش کاتد- O2 + 4 e• => 2 O2-

واکنش کلی پیل- 2 H2 + O2 => 2 H2O

پیل‌‌سوختی اکسید جامد راندمانی در حدود 60-45 درصد دارد و میزان دانسیته توان تولیدی در این نوع پیل‌‌سوختی 300-240 است. طول عمر این نوع پیل‌سوختی بیش از 40000 ساعت است. ترکیب این نوع پیل‌سوختی با یک توربین بازده کلی را به 70% افزایش می ‌دهد.

با توجه به دمای بالای کارکرد پیل‌سوختی اکسید جامد، کاربردهای نیروگاهی این نوع پیل‌سوختی بیشتر مدنظر است. دمای بالای کارکرد یک سری مزایای ویژه را برای این نوع پیل‌سوختی به همراه می‌آورد. این مزایا عبارتند از:

1• تنوع در سوخت مورد استفاده (گازی نمودن ذغال، گازهای حاصل از فرایندهای صنعتی و سایر منابع)

2• امکان تبدیل مستقیم سوخت‌های هیدروکربنی بدون نیاز به مبدل سوخت

3• راندمان بالا

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

دمای بالای کارکرد پیل‌سوختی اکسید جامد و نیاز به مواد گرانقیمت تنوع کاربردها را در این پیل‌سوختی محدود می‌کند ولی از طرف دیگر با افزایش دمای کارکرد امکان تبدیل سوخت در داخل پیل‌سوختی میسر شده و امکان بهره‌برداری موثر از انرژی گرمایی تولید شده نیز بوجود می‌آید.

با توجه به دمای بالای کارکرد پیل‌سوختی اکسیدجامد، این نوع پیل‌سوختی در نیروگاه‌های بزرگ تولید برق و هم چنین نیروگاه‌های سیکل‌ ترکیبی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

1-4-5 پیل‌سوختی متانولی

پیل‌سوختی متانولی یک فن‌آوری نوظهور است که در آینده بسیار نزدیک در تلفن‌های همراه و لب تاپ ها به تولید انبوه خواهد رسید. در اویل دهه 90 پیل‌سوختی متانولی بدلیل کارایی و چگالی قدرت پایین و سایر مشکلاتش هنوز مناسب نبود. بهبود در کاتالیست و دیگر پیشرفت‌های ایجاد شده در طی سال‌های اخیر، چگالی قدرت را 20 برابر افزایش داده و کارایی آن را به 40 % رسانیده است. میزان توان گرفته شده از این پیل‌سوختی در حدود (نیاز به دانلود ترجمه) mW/Cm2 400-200 است.

پیل‌سوختی متانولی در واقع نوعی پیل‌سوختی پلیمری است با این تفاوت که در این پیل‌سوختی ساختار الکترودها با پیل‌سوختی پلیمری تا حدی متفاوت است و در این نوع پیل، متانول مایع به عنوان سوخت مصرف می‌شود. مشکل اصلی در مورد این پیل‌سوختی عبور متانول از غشاء پلیمری است. به همین دلیل تحقیقات برروی الکترولیت‌هایی که میزان عبوردهی کمتری دارند متمرکز شده است.

در پیل‌سوختی متانولی یون هیدروژن (پروتون) حامل بار است. در آند متانول مایع با آب اکسید شده و دی اکسید کربن و یون هیدروژن تولید می‌کند. یون‌های هیدروژن از طریق الکترولیت و الکترون‌ها از طریق یک مدار خارجی که عامل ایجاد الکتریسته در سیستم است، به سمت کاتد حرکت می‌کنند. در کاتد یون‌های هیدروژن و الکترون‌ها با اکسیژن واکنش داده و آب تولید می‌شود که مقداری از این آب تولید شده جهت مصرف به سمت آند ارسال می‌گردد. واکنش‌های انجام شده در پیل به شرح ذیل می‌باشد:

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

واکنش کاتد- 3/2 O2 + 6 H+ + 6e• => 3 H2O

 

واکنش کلی پیل- CH3OH + 3/2 O2 => CO2 + 2 H2O

این پیل‌ها در محدوده دمایی 50 تا 120 درجه سانتی گراد، آزمایش شده‌اند. این دمای کم کارکرد و عدم نیاز به مبدل سوخت، این پیل را نمونه خوبی برای کاربردهای کوچک و متوسط مثل تلفن‌های همراه و دیگر محصولات نظیر آن همچون مولد برق اتومبیل معرفی می‌کند.

پیل‌های ‌‌سوختی متانولی می‌تواند 10 برابر باتری‌های پیشرفته انرژی الکتریکی در اختیار ما قرار دهند و نیاز به شارژ مجدد نخواهند داشت. فقط لازم است که کارتریج حاوی سوخت در این نوع پیل‌های ‌‌سوختی تعویض شود.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

با توجه به اینکه متانول سمی است برخی شرکت‌ها به توسعه پیل‌های سوختی اتانولی نیز پرداخته‌اند. البته عملکرد پیل‌سوختی اتانولی نصف نوع متانولی است که انتظار می‌رود با ادامه تحقیقات کارایی آنها به هم نزیک شود.

1-4-6 پیل سوختی سرامیکی پروتونی

این نمونه جدید پیل سوختی بر پایه ماده الکترولیتی سرامیکی استوار است که در دماهای بالا رسانایی پروتونی بالایی دارد.

پیل‌سوختی سرامیکی مزیت های جنبشی و گرمایی در عملیات دمای بالا (در 700 درجه سلسیوس) پیل‌سوختی کربنات مذاب و پیل‌سوختی اکسید جامد را شامل می‌شود، در حالی که تمام مزایای رسانایی پروتون در پیل‌های سوختی اسید فسفریک و پیل‌سوختی پلیمری را دارد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

این عمل مراحل میانی تولید هیدروژن در طول فرایند پرهزینه تبدیل سوخت را حذف می‌کند. مولکول‌های گازی سوخت هیدروکربنی در حضور بخارآب روی سطح آند جذب شده و به اتم‌های هیدروژن و دی اکسیدکربن تبدیل می‌گردد. شرکت Coorstek در حال مطالعه اولیه این نوع پیل‌سوختی است.

1-4-7 پیل‌سوختی پلیمری

پیل‌های سوختی غشاء پروتون (پلیمری) اولین بار در دهه 1960 برای برنامه Gemini ناسا استفاده شد. این نوع پیل‌سوختی از نقطه‌ نظر طراحی و کارکرد یکی از جذابترین انواع پیل‌سوختی است. پیل‌سوختی پلیمری دارای الکترولیت پلیمری به شکل یک ورقه نازک منعطف است که هادی یون هیدروژن(پروتون)می‌باشد و بین دو الکترود متخلخل قرار می‌گیرد. جهت کارایی مطلوب لازم است الکترولیت ، از آب اشباع باشد. نفیون یکی از بهترین الکترولیت‌های مورد استفاده در این نوع پیل‌سوختی است. این غشاء کوچک و سبک است و در دمای پایین 80 درجه سانتیگراد( تقریباً 175 درجه فارنهایت) کار می کند. سایر الکترولیت های جامد در دمای بالا نزدیک به 1000 درجه سانتیگراد کار می‌کنند. در پیل‌سوختی پلیمری واکنش احیاء اکسیژن واکنش کندتر است (این واکنش سه مرتبه کندتر از واکنش اکسید شدن هیدروژن است). کاتالیست مورد استفاده در این پیل‌سوختی اغلب از جنس پلاتین بوده و میزان کاتالیست مصرفی در الکترودهای این نوع پیل‌سوختی بیشتر از سایر انواع پیل‌سوختی است.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

میزان دانسیته توانی این نوع پیل‌سوختی بیشتر از انواع دیگر پیل‌سوختی است. محدوده دانسیته توانی در این نوع پیل‌سوختی بین( 600-350) است. طول عمر پیش‌بینی شده برای پیل‌سوختی‌پلیمری بیش از 40000 ساعت است. در این پیل‌سوختی CO سبب سمی‌شدن کاتالیست می‌شود.

واحدهای 50 کیلوواتی اکنون در حال فعالیت و تولید نیرو هستند و واحدهایی تا توان 250 کیلووات نیز در دست توسعه هستند.

در پیل‌سوختی پلیمری سوخت مورد استفاده هیدروژن می‌باشد. ملکول هیدروژن در آند به یونهای پروتون و الکترون یونیزه شده، الکترون‌های آنها جدا می‌شود. یون‌های هیدروژن که شامل بار مثبت هستند (پروتون) به یک سطح غشاء خلل دار نفوذ می‌کنند و به سمت کاتد می‌روند. الکترون‌های جدا شده نمی‌توانند از این غشاء عبور کنند بلکه از یک مدار خارجی عبور کرده و موجب تولید برق می‌شوند. در کاتد الکترون‌ها، پروتون‌های هیدروژن و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیب می شوند و آب را تشکیل می‌دهند.واکنش‌ها در الکترودها به شرح ذیل می باشند:

واکنش آند- 2H2 => 4H+ + 4e-

واکنش کاتد- O2 + 4H+ + 4e• => 2 H2O

واکنش کلی پیل- 2H2 + O2 => 2 H2O

به دلیل جامد بودن الکترولیت این پیل‌سوختی و همینطور انعطاف پذیر بودن آن امکان شکستن یا ترک خوردن در آن کم است .در مقایسه با انواع دیگر پیل‌سوختی ، برای یک حجم و وزن معلوم پیل‌سوختی پلیمری توان بیشتری تولید می‌کند. این نوع پیل‌سوختی به دلیل دمای پائین به زمان کمی برای راه‌اندازی نیاز دارند و همین خصوصیت آن‌ها را بهترین گزینه در کاربردهای وسایل نقلیه بعنوان جایگزین برای موتور احتراق داخلی دیزلی و بنزینی معرفی می‌نماید. همچنین این سیستم ها کاربری مناسبی در زمینه مولدهای خانگی، نیروگاهی کوچک، صنعت حمل ونقل و نظامی دارند.

مقایسه کلی بین پیلهای سوختی آلی از نظر دمای کارکرد و بازده و توان تولیدی

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

پیل سوختی

قلیایی- پیل سوختی

متانول- پیل سوختی

کربنات مذاب- پیل سوختی

اسیدفسفریک- پیل سوختی

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

اکسید جامد

الکترولیت- هیدروکسید

پتاسیم- غشاء،

پلیمری- مایع کربنات

 

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

فسفریک ثابت- غشاء

تعویض یولا- سرامیک

دمای عملیاتی- 90-60- 130-60

بازده- 60 تا 40%- 0.4

توان تولیدی- تا 20 کیلووات- کمتر از 10 کیلووات

کاربرد- زیر دریای و فضایی- کاربردهای قابل حمل

فصل دوم:

 

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

2-1 اجزای پیل‌‌‌‌سوختی متانولی

 

 

2-1-1 الکترود آند

بازدهی آند پیل‌سوختی متانولی تابع میزان فعالیت کاتالیست، میزان مصرف شدن سوخت، سطح فعال و میزان انتقال جرم متانول است. به جز فعالیت کاتالیست، تمام خصوصیات فوق تابع میزان مصرف کاتالیست است. با تغییر میزان کاتالیست مصرفی میزان ضخامت لایه کاتالیست تغییر می‌کند. زمانی که متانول برروی سطح کاتالیست واکنش می‌دهد گاز CO تولید می‌شود و گاز CO برروی سطح کاتالیست جذب می‌شود. CO بر روی سطح کاتالیست پلاتین در پتانسیل الکترود بیشتر از 6-5 ولت اکسید شده و تبدیل به CO2 می‌شود. در پتانسیل پایین الکترود آند پلاتین، امکان اکسید شدن CO وجود ندارد. در این حالت مکان‌های فعال سطح الکترود آند بلوکه شده و واکنش اکسیداسیون متانول متوقف می‌شود. با توجه به موارد ذکر شده مشخص می‌شود که کاتالیست پلاتین به تنهایی در الکترود آند پیل‌سوختی متانولی قابل استفاده نیست و لازم است که از یک سیستم دیگر استفاده شود. یک ایده جهت کاهش مشکل سمی شدن کاتالیست، استفاده از یک الکتروکاتالیست دو جزئی در الکترود آند است به طوریکه این جزء مانع از سمی شدن کاتالیست شده و هم‌چنین سبب افزایش سرعت واکنش اکسیداسیون متانول شود. در محیط اسیدی الکترولیت پیل‌سوختی متانولی، تعداد فلزاتی که به این منظور قابل استفاده هستند بسیار اندک است ولی یکی از بهترین گزینه‌ها روتینیم (Ru) است. با استفاده از کاتالیست دو جزئی پلاتین روتینیم (Pt-Ru) پتانسیل لازم برای اکسیداسیون متانول به 3/0-2/0 ولت کاهش می‌یابد. در حال حاضر تحقیقات زیادی در زمینه کاتالیست‌های فعال جهت اکسیداسیون متانول در حال انجام است که در این تحقیقات اثر فلزات مختلف به همراه پلاتین جهت اکسیداسیون متانول مورد بررسی قرار می‌گیرد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

•- پلاتین به همراه اکسید روتینیم (RuOxHy & RuOz.XH2O) (نیاز به دانلود ترجمه)

این ترکیب فعالیت کاتالیستی بیشتری نسبت به آلیاژ (Pt-Ru) جهت اکسیداسیون اکسیژن نشان می‌دهد. RuOxHy یک کاتالیست بسیار خوب برای تجزیه آب است]6[.

زمانی که از کاتالیست RuOxHy Pt• استفاده می‌کنیم. متانول روی سطح پلاتین اکسید شده و CO تولید می‌‌شود. CO تولیدی بر روی سطح فعال الکتروکاتالیست پلاتین جذب می‌شود. کاتالیست RuOxHy آب را تجزیه کرده و -OH تولیدی سبب تسهیل کامل شدن چرخه اکسیداسیون CO به CO2 و H+ می‌‌شود. در اصل نقش کاتالیست روتینیم در این سیستم تهیه OH• جهت بهبود واکنش اکسیداسیون CO به CO2 است.

با تغییر میزان کاتالیست مصرفی میزان ضخامت لایه کاتالیست تغییر می‌کند. افزایش میزان کاتالیست به بیش از یک حد بخصوص تاثیر زیادی در کارکرد آند ندارد. علت این پدیده به این صورت بیان می‌شود که با افزایش مصرف کاتالیست میزان سطح فعال نیز افزایش می‌یابد ولی از طرف دیگر ضخامت لایه کاتالیست نیز افزایش می‌یابد در این صورت انتقال جرم متانول وCO2 کاهش می‌یابد. اثر افزایش میزان مصرف کاتالسییت در شکل 2-1 ارائه شده است. ولتاژ در تمام موارد v3/0است]6 [.

•- آلیاژ پلاتین/ تنگستن و پلاتین/مولیبدن

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

آزمایشات انجام شده توسطXRD و TEM نشان می‌دهد که نمونه‌های متشکل‌ از آلیاژهای Pt+W وPt+Mo به صورت ذرات ریز یا کلوخه در ساختار پلاتین توزیع می‌شوند و در این صورت آلیاژهای مطلوبی را ایجاد نمی‌کنند. در مورد Mo+Pt ذرات پلاتین به صورت جزئی توسط مولیبدن احاطه شده‌اند]8. [

اکسیداسیون متانول توسط نمونه تهیه شده ازPt+W و Pt+ Mo مورد بررسی قرار گرفته و مشاهده شده است که الکترواکسیداسیون متانول در حضور Pt+Mo در پتانسیل کمتری آغاز می‌شود ولی در مقایسه Pt+W فعالیتی شبیه پلاتین نشان می‌دهد ولی چگالی جریان کمتری را در پتانسیل‌های بالاتر ارائه می‌دهد.

در مورد Pt+Mo مشاهده شد که میزان جذب CO در این آلیاژ نسبت به Pt کاهش یافته و CO2 در پتانسیل کمتری تولید می‌شود. این مورد بیان می‌کند که مولیبدن اثر اصلاحی بر روی خواص پلاتین دارد.

نمودار 2-1 اثر افزایش میزان کاتالیست مورد استفاده در آند بر دانسیته جریان

2-1-2 روش تهیه لایه کاتالیست

1• الکتروکاتالیست توسط احیاء شیمیایی نمکهای پلاتین و روتینیم برروی پودر کربن قرار می‌گیرد (پودر کربن معمولاً Vulcan xc-72 است). سپس الکتروکاتالیست Pt/Ru/C به همراه سوپانسیونهای PTFE و یا Nafion برروی کاغذ کربن توسط فرآیند غلطکرانی قرار می‌گیرند. این پروسه منجر به تولید صفحه الکتروکاتالیست با فعالیت زیاد و ضخامت 10-50 میکرومتر می‌شود. این افزایش ضخامت سبب افزایش مسیر نفوذ و افزایش فراپتانسیل مربوط به نفوذ می‌شود]8[.

روش دیگر جهت تولید الکتروکاتالیست با میزان مصرف کاتالیست کمتر و کاهش مسیر نفوذ، استفاده از روشهای الکتروشیمیایی است. در این روشها کاتالیست به طور مستقیم برروی ساختار متخلخل الکترود قرار می‌گیرد. به این صورت که برروی الکترود در محفظه الکترولیز و در حضور محلول محتوی K2PtCl5 و K2RuCl5 با ترکیب درصد مشخص، عملیات Electro deposition انجام می‌شود. جهت انجام عملیات الکترولیز، جریانی با چگالی mA/Cm2100-10 به صورت تناوبی اعمال می‌شود به طوریکه این جریان در یک تناوب 500-100 میلی ثانیه‌ای اعمال می‌شود و سپس 10-1 ثانیه زمان رهایش داده می‌شود.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

عبور متانول از غشاء (الکترولیت) پیل‌سوختی متانولی به سمت کاتد پیل‌سوختی متانولی و حضور متانول در الکترود کاتد پیل‌سوختی متانولی سبب افزایش میزان کاتالیست مورد نیاز در کاتد پیل‌سوختی متانولی می‌شود. این میزان کاتالیست در الکترود کاتد پیل‌سوختی متانولی از کاتالیست مورد نیاز در پیل‌سوختی H2/air بیشتر است. میزان کاتالیست در کاتد در این حالت بسیار نزدیک به میزان کاتالیست مورد نیاز در آند است. تقریباً مجموع میزان کاتالیست مورد استفاده در دو الکترودmg/Cm2 10 است.

با استفاده از کاتالیست پلاتین بر روی بستر کربن، تا حد زیادی از مصرف پلاتین کاسته می‌شود. گزینه دیگر استفاده از پلاتین سیاه بدون بستر است. در صورتی که میزان کاتالیست مصرفی کمتر از mg/Cm2 8/0باشد میزان کارایی پلاتین با بستر کربن(Pt/C) بیشتر از پلاتین سیاه خواهد بود. در صورت استفاده ازmg/Cm2 6/1-8/0 از کاتالیست در الکترود کاتد میزان کارایی پلاتین سیاه در الکترود کاتد بیشتر از کارایی Pt/C خواهد بود زیرا با افزایش وزن کاتالیست، میزان نفوذ در لایه کاتالیست و کربن کاهش می‌یابد ]1[.

کارایی و عملکرد کاتد با تغییر نسبت پلاتین به کربن تا حد زیادی تغییر می‌کند. زمانی که میزان کاتالیست مصرفی در کاتد کم است ( mg/Cm26/0)، ولتاژ سل در حالتH2/air در چگالی جریان A/Cm2 2/0در میزان نسبت کاتالیست به کربن 56/0 برابر با84/0ولت است. این پتانسیل بیانگر فعالیت زیاد کاتالیست در احیاء اکسیژن است. ولی در مقایسه در همان میزان از کاتالیست ( mg/Cm26/0) و نسبت کاتالیست به کربن برابر با 4/0 میزان ولتاژ تولیدی 78/0ولت خواهد بود. اگر میزان نسبت وزنی کاتالیست به کربن به 80-60 درصد افزایش یابد، میزان بازده کمتر از زمانی خواهد بود که نسبت پلاتین به کربن برابر با 56/0 انتخاب شده است. شکل 2-2 اثر افزایش نسبت وزنی کاتالیست به کربن را ارائه کرده است.

شکل 2-2 اثر افزایش نسبت وزن کاتالیست به کربن در الکترود کاتد پیل‌سوختی متانولی

شکل 2-3 مقایسه عملکرد پیل‌سوختی متانولی با دو نوع کاتد متفاوت (پلاتین با بستر کربن و پلاتین سیاه)

پلیمر هادی یون H+ است و پلیمر تجاری که بیشترین کاربرد را در این زمینه دارد NafionTM است. این الکترولیت از پلیمر تترافلوئوراتیلن با شاخه‌های جانبی (نیاز به دانلود ترجمه) تهیه می‌شود.

با توجه به ساختار این پلیمر، یک نوع جدایی فاز میان ساختار آب دوست و آب‌گریز مولکولهای این پلیمر ایجاد می‌شود. این جدایی فاز در محیط هیدراته، سبب بوجود آمدن کانال‌هایی می‌شود که امکان نفوذ یون H+ از این مسیرها میسر می‌شود ولی به طور همزمان کانال‌هایی جهت عبور متانول و آب نیز ایجاد می‌شود. پدیده عبور متانول از غشا‌ء یکی از مشکلات مهم پیل‌سوختی متانولی است. عبور متانول از غشاء سبب اتلاف سوخت متانول، ایجاد اختلال در عملکرد کاتد و کاهش راندمان پیل‌سوختی می‌شود.

هدایت پروتون در این پلیمر وابسته به نفوذ آب در میان غشاء است زیرا آب به عنوان حامل یون H+ عمل می‌کند. ولی باید از نفوذ متانول از میان غشاء جلوگیری شود. یکی از مشکلات استفاده از پیل‌سوختی‌ متانولی اتلاف حاصل از عبور متانول از الکترولیت و نفوذ آن به الکترود کاتد است که در این صورت مقداری از سوخت متانول از این طریق تلف می‌شود. این مورد سبب کاهش بازدهی پیل‌سوختی‌ شده و افت شدیدی را در کارایی پیل‌سوختی به همراه دارد. روشهای مختلفی جهت کاهش عبور متانول از غشاء پیشنهاد شده است. در غشا‌های جدید میزان نفوذ متانول در غشا کمتر بوده و قیمت تمام شده نسبت به Nafion کمتر خواهد بود. نمونه‌ای از الکترولیتهای جدید عبارتند از آلیاژهای آریلین‌های سولفاته شده مانند PEEK سولفاته شده(sPEEK) یا پلی‌سولفون PSU سولفاته شده(sPSU) با پلیمرهایی نظیر P4VP یا پلی‌بنزایمیدازول(PBI) . این ترکیبات پایداری شیمیایی و حرارتی خوبی دارند و یونH+ را به خوبی هدایت می‌کنند و کارایی بسیار خوبی را در پیل‌سوختی ارائه می‌دهند. نمونه دیگری از این غشاها، آلیاژ نفیون(Nafion) و پلی فسفازین است که این آلیاژها نیز عبور دهی متانول بسیار کمی را نشان می‌دهد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

2-1-4 لایه نفوذ گاز

لایه نفوذ گاز از لایه متخلخل با حفره‌های بسیار ریز تشکیل شده است. لایه نفوذ گاز اکثراًٌ از کاغذ کربن و توسط مخلوطی از پلی تترافلوئوراتیلن (امولیسیون 60 درصد) PTFE و کربن بلاک تهیه می‌شود. به این صورت که در ابتدا از کربن بلاک یک سوسپانسیون تهیه شده و این مخلوط با امولسیون PTFE مخلوط می‌شود. مخلوط حاصل توسط یک دستگاه اسپری اتوماتیک و با کنترل توزیع دبی، برروی یک سطح پاشیده می‌شود و یک ساختار میکروسکوپی متخلخل و منظم بوجود می‌آید. پس از اعمال لایه نفوذ بر روی سطح، این ساختار در یک آون با دمای 120 درجه سانتیگراد و به مدت 1 ساعت خشک می‌شود و سپس به مدت 20 دقیقه در دمای 350 درجه سانتیگراد در یک اتمسفر خنثی سینتر می‌شود.

2-1-5 صفحات دو قطبی

صفحات دو قطبی وظیفه جمع آوری جریان خروجی از آند و کاتد یک پیل‌سوختی را به عهده دارند و همچنین وسیله‌ای جهت توزیع جریان سوخت در سمت آند و اکسیژن یا هوا در سمت کاتد هستند. علاوه بر این سیال خنک کننده در طول سری پیل‌سوختی در صفحات دو قطبی جریان پیدا می‌کند. توزیع گازهای واکنش دهنده توسط شیارهای ایجاد شده بر روی سطح این صفحات انجام می‌گیرد. روشهای متفاوتی برای ایجاد شیار بر روی صفحات دوقطبی وجود دارد که در این قسمت به آنها اشاره می‌کنیم .

ماشینکاری صفحات گرافیکی: این روش یکی از معمولترین روشهای مورد استفاده می‌باشد. گرافیک بدلیل دارا بودن قابلیت هدایت الکتریکی و سهولت ماشین کاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده دارای چگالی پائینتری نسبت به فلزات می‌باشد. این روش دارای سه عیب عمده زیر است:

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

2• گرافیت شکننده بوده و لذا در حین عملیات تراشکاری یا تولید سری پیل‌سوختی، احتمال شکستن یا مخدوش شدن گرافیت وجود دارد.

3• گرافیت دارای ساختار متخلخل بوده و بنابراین صفحات حاصل باید ضخامتی در حد چند میلیمتر داشته باشند تا بتوانند گازهای واکنش دهنده را ازیکدیگر جدا کنند که این بدین معنی است که اگر‌چه

چگالی مواد پائین است اما صفحات دو‌قطبی نهایی الزاما سبک نیستند.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

ارزان‌ترین فرایند تولید صفحات دوقطبی، قالبگیری تزریقی رزین پلیمری پر شده با گرافیت می‌باشد. ولی بهترین قطعات ساخته شده از این روش دارای قابلیت هدایت الکتریکی ضعیفی هستند و به همین دلیل ‌استفاده از آنها در پیل‌های سوختی تا حد زیادی محدود شده است.

روش دیگر تولید صفحات دوقطبی از روش قالبگیری فشاری می‌باشد در این نوع از قالبگیری می‌توان سیال با ویسکوزیته بالا را مورد استفاده قرار داد لذا نسبت بالاتری از کربن در مخلوط کربن/پلیمر مورد استفاده قرار می‌گیرد و در نهایت صفحه تولیدی به مقدار کافی دارای قابلیت هدایت الکتریکی خواهد بود. قطعه نهایی که از این روش ساخته می‌شود باید دارای ساختاری ساده باشد. برای ایجاد کانالهای مربوط به جریان سیال خنک کننده، بایستی صفحات را بصورت دو‌تکه ساخت.

علاوه بر گرافیت برخی از فلزات نیز جهت ساخت صفحات دوقطبی مورد استفاده قرار می‌گیرند. استفاده از فلزات دارای مزایایی زیر است .

•- فلزات هدایت الکتریکی بالایی دارند و به راحتی ماشین کاری می‌شوند.

•- فلزات متخلخل نبوده و لذا قطعات نازک فلزی می‌تواند واکنش‌دهنده‌ها را از یکدیگر جدا نگهدارد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

2-2 تهیه MEA

روش‌های مختلفی برای تهیه MEA پیل‌سوختی‌ متانولی مستقیم پیشنهاد شده است. اجزای تشکیل دهنده یک MEA عبارتند از غشاء پلیمری از جنس یک پلیمر هادی یون مانند Nafion و اجزای دیگر شامل لایه نفوذ گاز، کاتالیست‌های پلاتین و پلاتین روتینیم با بستر و بودن بستر کربن.

با توجه به اینکه کاتالیست مورد استفاده در آند پیل‌سوختی متانولی اغلب از آلیاژ پلاتین و روتینیم

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

فیلم RuOxHy/Nafion در محلول فوق قرار گرفته و به صورت یک الکترود در عملیاتelectro deposition عمل می‌کند. با اعمال ولتاژ 4/0 ولت شاهد اعمال پلاتین روی سطح فیلم RuOxHy / Nafion خواهیم بود.

الکترود از کاغذ کربن متخلخل آغشته شده به سوسپانسیون تفلون تهیه می‌شود. کاغذ کربن به مدت

10 دقیقه به سوسپانسیون تفلون آغشته شده و سپس به مدت 60 دقیقه در دمای ˚C100 خشک می‌شود.

فیلم Nafion/Pt-RuOxHy به مدت 60 ثانیه در دمای 100 درجه‌سانتی‌گرادوفشار psi1000 بین 2 صفحه کاغذ کربنی قرار می‌گیرد ساختار حاصل متشکل از /Nafion Pt• RuOxHy• Carbon Paper خواهد بود. که در شکلاین ساختار ارائه شده است]3[.

کارایی MEAهایی که در آنها کاتالیست بدون بستر (Unsupported) استفاده شده است بهتر از کارایی MEAهای همراه با بستر است. (با فرض برابری سطح فعال کاتالیست در لایه واکنش)

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

سطح فعال کاتالیست به طور کلی بیانگر سرعت واکنش‌ها و میزان کارایی MEA است و به نظر می‌رسد با برابر بودن سطوح فعال کاتالیست در دو حالت Supported و Unsupported فعالیت‌ها باید یکسان باشد ولی در حالت Unsupported واکنش‌گرها به داخل سطوح نفوذ کرده و تا فاصله زیادی می‌توانند به داخل سطح نفوذ کرده و به مکان‌های فعال انجام واکنش نفوذ کنند ولی در حالت Supported نفوذ در حمایت کننده کربنی میسر نشده و این خاصیت سبب کاهش کارایی در هنگام استفاده از بستر کربنی می‌شود. استفاده از کاتالیست به همراه بستر کربن سبب کاهش هزینه MEA می‌شود زیرا در حالت Unsupported میزان بسیار بیشتری از کاتالیست باید مورد استفاده قرار گیرد تا خواص و سطح ویژه مورد نیاز حاصل شود.

2-3 فرآیند تولید سری پیل‌سوختی متانولی

توان ویژه سری‌های پیل‌سوختی متانولی با صفحات دوقطبی، در حدود 30 در دمای 35 درجه سانتیگراد است. در حال‌ حاضر تحقیقات زیادی جهت کاهش وزن سری پیل‌سوختی به منظور افزایش توان ویژه پیل‌های‌سوختی متانولی در حال انجام است. سری پیل‌سوختی متانولی شامل الکترولیت، الکترودهای آند و کاتد، صفحات دو قطبی و لایه‌های نفوذ گاز است. نمای شماتیک یک سری پیل‌سوختی متانولی در شکل 2-10 ارائه شده است.

جهت استفاده از پیل‌های‌سوختی در وسایل قابل حمل ‌و نقل بخصوص تلفن‌های همراه لازم است که توان ویژه پیل‌‌سوختی متانولی افزایش یابد. وزن صفحات دوقطبی و صفحات انتهایی معمولاً %90-80 وزن سری پیل‌سوختی را به خود اختصاص می‌دهد. صفحات دوقطبی نقش موثری را در کاهش ولتاژ و اتلاف در پیل‌‌سوختی دارند بخصوص زمانی که ولتاژ زیادی از پیل‌‌سوختی گرفته می‌شود.

یکی از روش‌های کاهش وزن پیل‌سوختی متانولی استفاده از سری پیل سوختی با ساختار تک قطبی است. در این ساختار، جریان‌ها از طریق الکترودها هدایت شده و صفحات دوقطبی حذف می‌شوند.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

1-- جداسازی آب

2-- آب‌بندی مناسب

 

2-4 سری‌های با صفحه دوقطبی

عملکرد پیل سوختی متانولی با صفحات دوقطبی شبیه پیل‌سوختی پلیمری است. در این نوع سری پیل‌سوختی متانولی صفحات دوقطبی به منظور جداکردن واکنشگرها از یکدیگر، اتصال الکتریکی سل‌ها و هدایت واکنشگرها به مکانهای فعال واکنش مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در یک تک‌پیل که در ولتاژ 45/0 ولت و دانسیته جریان 150 کار می‌کند. استفاده از تکنولوژی جدید (Bipolar Plate Stack) در دمای 60-55 درجه سانتیگراد در فشار محیط و هوا به عنوان اکسیدکننده توان تولیدی 20 تولید می‌شود. در این صورت ولتاژ کارکردی هر سل 5/0-45/0 ولت به ازای هر پیل خواهد بود. اگر %85 سوخت استفاده شود. راندمان کلی %29-26 خواهد بود.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

ترکیب الکترود آند/ غشاء/ الکترود کاتد اصطلاحاً بعنوان مجموعه غشاء/الکترود یا MEA گفته می‌شود. پیشرفت فن‌آوری در مجموعه های غشاء/الکترود در پیلهای سوختی نوع پلیمری نقش اصلی در بهبود کارائی این نوع پیل‌سوختی و کاهش هزینه‌های پیل دارد. مجموعه های اولیه غشاء/ الکترود در دهه 1960 میلادی برای برنامه فضایی Gemini ساخته شدند و در آنها از 4 میلی گرم پلاتین در هر سانتیمتر مربع از سطح غشاء استفاده شده بود (cm2/ mg4). در فن آوری فعلی علیرغم اینکه میزان مصرف پلاتین از یک تولید کننده تا تولید کننده ای دیگر متفاوت است ولی با این وجود مقدار کل پلاتین جای گذاری شده از میزان cm2/ mg4 اولیه به حدود cm2/ mg5/0کاهش یافته است. در تحقیقات آزمایشگاهی اکنون از cm2/ mg15/0 بارگذاری پلاتین استفاده می‌شود. علاوه بر آن، این رویکرد از زمان برنامه Gemini توام با بهبود مستمر در عملکرد پیل از نقطه نظردانسیته جریان تولید شده، که در ابتدای امر حدود 5/0 آمپر برای هر میلی گرم پلاتین بکار رفته بوده تا میزان فعلی که 15 آمپر برای هر میلی گرم پلاتین می‌باشد بوده است.

شکل2-5 مجموعه غشا/الکترود

ضخامت غشاء در هر مجموعه غشاء/الکترود بسته به نوع غشای بکار رفته متغیر است. ضخامت لایه‌های کاتالیزور وابسته به مقدار پلاتین در هر الکترود می‌باشد. در یک لایه کاتالیزور حاوی حدود 15/0 میلی گرم پلاتین در هر سانتیمتر مربع، ضخامت لایه کاتالیزور نزدیک به 10 میکرون می‌باشد، یا به عبارتی کمتر از نصف ضخامت یک برگ کاغذ. مطمئناً جالب است بدانیم که چنین مجموعه ای از غشاء/الکترود، با ضخامت کل حدود 200 میکرون، یا بعبارتی 2/0 میلیمتر، قادر است بیشتر از نیم آمپر جریان در هر سانتیمتر مربع با ولتاژ 7/0 ولت تولید نماید. البته تنها زمانی می‌توان چنین توانی را بدست آورد که انتخاب اجزا، قطعات، طراحی و ساخت MEA به طور مناسب انجام شده باشد. این قطعات شامل:

•- لایه‌های نفوذ گاز (Gas Diffusion Layers)

•- مسیر جریان گازی (Flow Fields)

•- جمع کننده‌های جریان الکتریسیته (Current Collectors) می‌باشد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

مجموعه غشا/الکترود را به صورت‌های متفاوتی بوسیله تهیه جوهر مایع متشکل از پلیمر PTFE و کاتالیست‌های Pt یا Pt-Ru نشانده شد بر روی پودر کربن و پوشش دادن سطح خارجی غشا با این جوهر. بعد از پوشش عملیات حرارتی بر روی مجموعه انجام می‌پذیرد. در اینجا به دو نوع از روش‌هایی که برای این منظور بکار رفته اشاره می‌کنیم.

در روش اول که روش الکترود مجزا (Separate Electrode) نام دارد، پلاتین نشانده شده بر روی کربن با استفاده از فنون خاصی بر روی مواد متخلخل و هادی جریان الکتریسیته نظیر پارچه کربنی یا ورقه‌های کربنی، تثبیت می‌گرددکه معمولا PTFE هم به آن اضافه می‌گردد. نظر به اینکه گاز بایستی در ورق یا پارچه کربنی نفوذ کرده تا به کاتالیست برسد این لایه‌ها را لایه نفوذ گاز می‌نامند. سپس در هر یک از دو طرف غشای پلیمری یک الکترود قرار می‌دهند. جهت انجام این کار ابتدا باید غشا را تمیز کرد. بدین صورت که غشا را به مدت یک ساعت در محلول 3 درصد پراکسید هیدروژن در آبی که در حال جوش است قرار می‌دهیم. سپس به همین مدت زمان در اسید سولفوریک در حال جوش قرار می‌گیرد تا از پروتون دارشدن گروه‌های سولفونیک اطمینان حاصل گردد. نهایتاً هم غشا در آب بدون یون در حال جوش به مدت یک ساعت فرو برده می‌شود تا باقیمانده اسید، خارج گردد. مجموعه الکترود و غشا با پرس داغ در دمای 140 درجه سانتیگراد و فشار بالا (به مدت سه دقیقه) مونتاژ می‌گردد]6 [.

در روش دوم، الکترود مستقیماً بر روی سطح غشا ساخته می‌شود بدین ترتیب که پودر کربن که بر روی آن پلاتین قرار دارد بر روی سطح غشا تثبیت می‌گردد، سپس لایه نفوذ گاز قرار می‌گیرند این لایه همچنین اتصال بین لایه کاتالیست و صفحات دو قطبی یا گیرنده‌های جریان را برقرار می‌سازد (شکل 2-6).

همانگونه که در شکل نشان داده شده است یک لایه نازکی از الکترولیت بر روی کاتالیست پخش شده است وجود این لایه چندین هدف را در پی دارد که عبارتند از: افزایش هدایت یونی در فصل مشترک، افزایش تماس مستقیم بین کاتالیست و الکترولیت، به عنوان عامل اتصال دهنده اجزا فصل مشترک (Binding Agent)، کنترل اندازه کلوخه‌های کاتالیست در فصل مشترک و نتیجتاً افزایش راندمان مجموعه غشاء/ الکترود ]9[.

شکل 3• 6 ساختار ساده شده و ایده‌ال الکترود پیل‌سوختی نوع پلیمری ]7[

در حال حاضر در دنیا، تحقیقات به روی بهینه‌سازی نحوه ساخت مجموعه غشاء/الکترود در حال انجام می‌باشد، همچنین در خصوص محل فصل مشترک کاتالیست و غشاء هم مطالعاتی در حال انجام است تا درک بهتری از فرآیند‌های که در این فصل مشترک روی می‌دهد بدست می‌آید.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

سخت افزار پیل سوختی یعنی لایه‌های نفوذ گاز، صفحات شکل‌دهنده جریان گازها و گیرنده‌های جریان به گونه‌ای طراحی شده‌اند که جریان حاصل از مجموعه غشاء/الکترود را به حداکثر میزان ممکن برسانند.

لایه‌های نفوذ گاز که یکی از آنها در مجاورت آند و دیگری در مجاورت کاتد قرار دارد معمولاً از ورق متخلخل کربن و یا پارچه کربنی ، ساخته شده‌اند و ضخامتی بین 100 تا 300 میکرون (به ضخامت 4 تا 12 برگ کاغذ) دارند. لایه‌های نفوذ گاز بایستی از جنس موادی همچون کربن (گرافیت) ساخته شوند تا قادر به هدایت الکترون‌های خارج شده از آند و وارده به کاتد باشند.

شکل 3-7 بخشی از شکل 3-6 که بزرگنمایی شده است]7[.

ماهیت متخلخل لایه نفوذ گاز، تضمین‌کننده سهولت نفوذ و جذب مؤثر هر گاز واکنش‌گر بر روی کاتالیزور بکار رفته در مجموعه غشاء/الکترود خواهد بود. واژه نفوذ اشاره دارد به جریان یافتن مولکول‌های گاز از منطقه با غلظت بالا، یا به عبارتی سمت خارجی لایه نفوذ گاز که در آنجا گاز درون مسیرهای تعبیه شده در صفحات دوقطبی در حال گذر است، به طرف منطقه‌ای که غلظت گاز در آن کم است، یا همان سمت درونی لایه نفوذ گاز که در مجاورت لایه کاتالیست که گاز در آنجا به وسیله واکنش مصرف می‌شود. ساختار متخلخل لایه‌های نفوذ گاز، به گاز امکان پخش شدن در حین جذب شدن را می‌دهد، به نحوی که گاز هنگامی که به این لایه‌ها نفوذ می‌کند در معرض تماس با کل سطح غشاء که ماده کاتالیست روی آن اعمال گردیده قرار خواهد گرفت]7[.

لایه‌های نفوذ گاز همچنین در مدیریت آب در خلال کارکرد پیل سوختی تأثیرگذارند. کمبود آب یا وجود آب اضافی در پیل به عملکرد مناسب پیل لطمه وارد می‌سازد. استفاده از مواد مناسب در ساخت لایه نفوذ گاز، رسیدن مقدار مناسب بخار آب از طرف الکترود آند به مجموعه غشاء/الکترود را میسر می‌سازد تا غشاء دائماً به حالت اشباع نگاه داشته شود و همچنین امکان خروج آب تولید شده در کاتد که بصورت مایع است را فراهم می‌آورد تا پیل دچار طغیان نگردد. لایه‌های نفوذ گاز اغلب با درصد مشخص تفلون در مقابل رطوبت حفاظت می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که حداقل تعدادی از منافذ موجود دچار انسداد کامل در اثر آبگرفتگی نشوند.

شکل3-8 مقطع بزرگ‌نمایی شده یک مجموعه غشاء/الکترود به همراه لایه‌های نفوذ گاز

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

روی سطح بیرونی هر یک از لایه‌های نفوذ گاز یکی دیگر از اجزای سخت‌افزاری پیل سوختی قرار دارد که در سری پیل سوختی به آن، صفحه دوقطبی و در سل واحد صفحه انتهایی گفته می‌شود. این صفحات اغلب نقش دوگانه‌ای را هم به عنوان جهت‌دهی توزیع جریان گازها و هم به عنوان گیرنده جریان الکتریسیته بر عهده دارند. در هر سل واحد، دو صفحه مزبور آخرین اجزای تشکیل‌دهنده پیل سوختی محسوب می‌گردند. صفحات یاد شده از جنس موادی که سبک وزن، مستحکم و دارای قابلیت هدایت الکترون‌ها باشند ساخته می‌شوند. لذا برای این منظور از گرافیت یا برخی فلزات نظیر تیتانیوم، زیرکونیوم و نیوبیوم استفاده می‌شود. در حال حاضر صفحاتی از جنس مواد کامپوزیت نیز در حال ظهور می‌باشند.

اولین و مهم‌ترین وظیفه هر صفحه دوقطبی، ایجاد یک شبکه توزیع جریان گاز بر روی MEA می‌باشد. سمتی از صفحه که در مجاورت لایه نفوذ گاز قرار می‌گیرد دارای مجراهایی است که با استفاده از ماشینکاری روی صفحه ایجاد شده‌اند. این مجراها وظیفه پخش گازهای واکنش‌دهنده در سطح پیل را به عهده دارند. الگوی مجاری جریان، عرض و عمق آنها تأثیر زیادی بر کارایی پیل، توزیع یکنواخت گازهای واکنش‌گر در ناحیه فعال مجموعه غشاء/الکترود و همچنین نحوه تأمین آب لازم برای مرطوب نگه داشتن غشاء و تخلیه آب تولید شده در کاتد دارد.

وظیفه دوم صفحات دوقطبی این است که این صفحات به عنوان گیرنده‌های جریان الکتریسیته عمل می‌کنند. الکترون‌های تولید شده بوسیله اکسیداسیون هیدروژن، پس از خارج شدن از آند، از لایه نفوذ گاز عبور کرده و به صفحه دوقطبی می‌رسند. این الکترون‌ها با عبور از مدار خارجی، صفحه دوقطبی کاتد و لایه نفوذ گاز، وارد الکترود کاتد می‌شوند.

شکل 3-10 یک سری پیل سوختی متشکل از 3 پیل با 2 صفحه دو قطبی و 2 صفحه انتهایی

برای ساخت صفحات دو قطبی و موادی که در ساخت آنها مورد استفاده قرار می‌گیرند، روشهای متفاوتی وجود دارند. با توجه به اینکه MEA ها در یک پیل سوختی متانولی بسیار نازک می‌باشد،‌ صفحات دوقطبی تقریباً بیش از 80 درصد حجم و وزن یک سری پیل سوختی را تشکیل می‌دهند. از سوی دیگر به دلیل کاهش میزان مصرف پلاتین، ساخت صفحات دو‌قطبی بخش عمده‌ای از هزینه ساخت یک سری پیل سوختی را شامل می‌شود. با این توضیح به بررسی دقیق‌تر صفحات دوقطبی و روش‌های ساخت آن پرداخته می‌شود.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

همانگونه که قبلاً هم ذکر شد، صفحات دوقطبی علاوه بر‌ وظیفه جمع‌آوری الکترون‌های خروجی از آند و انتقال آن به کاتد، وظیفه توزیع یکنواخت سوخت در آند و اکسیژن یا هوا در کاتد را نیز به عهده دارند. علاوه بر این بایستی یک سیال خنک‌کننده در طول سری پیل سوختی در صفحات دو قطبی جریان داشته باشد و این صفحات باید جریان‌های گاز اکسیدکننده، سوخت (هیدروژن) و سیال خنک‌کننده را از هم جدا نگهدارند. توزیع گازهای واکنش‌دهنده بر روی الکترود‌ها توسط شیارهای ایجاد شده بر روی سطح این صفحات، انجام می‌گیرد. روش‌های متفاوتی برای ایجاد این شیارها بر روی صفحات وجود دارد که در ذیل به برخی از آنها می‌شود.

ماشینکاری صفحات گرافیتی یکی از معمول‌ترین روش‌های مورد استفاده می‌باشد. گرافیت به دلیل دارا بودن قابلیت هدایت الکتریکی خوب و سهولت ماشینکاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین گرافیت دارای دانسیته‌ای پایین‌تر از فلزات می‌باشد. برای اینکه کانال‌های مربوط به عبور سیال خنک‌کن بخوبی ساخته شوند، این صفحات را بصورت دو‌تکه متقارن می‌سازند که پشت آنها کانال‌های برش خورده عبور سیال خنک‌کن و جلوی آنها شیارهای مربوط به جریان گاز‌های واکنش‌دهنده قرار دارد. این دو تکه بصورت پشت به پشت قرار می‌گیرند تا یک صفحه دو‌قطبی کامل را بسازند. صفحات گرافیتی دارای سه عیب عمده زیر هستند]6[:

برش زدن گرافیت مستلزم صرف وقت زیادی توسط دستگاه‌های گرانقیمت می‌باشد.

گرافیت شکننده است لذا سر هم کردن پیل سوختی با این نوع صفحات مشکل است و در جابجایی قطعات پیل بایستی دقت فراوانی صورت گیرد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

روش دیگر ساخت صفحات دوقطبی که هنوز بطور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است، استفاده از کامپوزیت کربن کربن می‌باشد. قطعه کامپوزیتی که متشکل از کربن و رزینی که قابلیت گرافیته شدن را داراست، با فرایند قالب‌گیری تزریقی ساخته می‌شود. فرآیند گرافیته کردن بوسیله حرارت دادن قطعه در دمای بالای2500 درجه سانتیگراد انجام می‌گیرد. فرآیند قالب‌گیری اساساً هزینه‌بر نمی‌باشد اما حرارت دادن یک فرایند پر‌هزینه و گرانقیمت است. علاوه بر این حرارت دادن باید با کنترل دقیق انجام گیرد،‌ ضمن اینکه بخش عمده‌ای از قطعات نهایی تاب بر‌داشته و اندازه درست و مورد انتظار را ندارند. پایداری ابعادی در طول حرارت‌دهی هم ایجاب می‌کند تا ضخامت قطعات کمتر از چند میلیمتر نباشد.

فرآیند دیگری که ارزان هم می‌باشد، قالب‌گیری تزریقی رزین پلیمری پر شده با گرافیت است. اما با توجه به اینکه بهترین قطعات ساخته شده به این روش دارای قابلیت هدایت الکتریکی ضعیفی هستند، ‌استفاده از آنها در پیل‌های سوختی تا حد زیادی محدود شده است.

نوع دیگری از قالبگیری که می‌تواند به ساخت صفحه دوقطبی منجر گردد، قالبگیری پرسی (فشاری) می‌باشد. در این نوع قالب‌گیری نیازی نیست که مواد مورد استفاده چندان سیال باشند. لذا این مسأله اجازه می‌دهد تا نسبت بالاتری از کربن در مخلوط کربن/پلیمر مورد استفاده قرار ‌گیرد و صفحه حاصل به مقدار کافی دارای قابلیت هدایت الکتریکی باشد. شکل قطعه نهایی که به این روش ساخته می‌شود، ‌نمی‌تواند زیاد پیچیده باشد. همچنین برای ایجاد کانال‌های مربوط به جریان سیال خنک‌کن، بایستی صفحات را بصورت دو‌تکه ساخت.

علاوه بر گرافیت برخی از فلزات نیز می‌تواند جهت ساخت صفحات دوقطبی مورد استفاده قرار گیرند. استفاده از فلزات مزیت‌های متعددی در پی دارد. فلزات هادی خوبی برای الکتریسیته بوده به راحتی ماشینکاری می‌شوند، متخلخل نیستند لذا قطعات نازکی از آنها می‌تواند واکنش‌دهنده‌ها را از یکدیگر جدا نگهدارد. مهم‌ترین عیب‌های فلزات دانسیته بالا و آمادگی برای خوردگی است چرا که محیط داخلی پیل سوختی پلیمری شامل بخار‌آب، اکسیژن و گرما، یک محیط مساعد برای خوردگی است. از طرفی با توجه به اینکه ماشینکاری میدان‌های جریان بر ‌روی صفحات فلزی مستلزم انرژی و هزینه است، لذا بهتر است که از فلزات به شکل فوم برای ساخت مسیر جریان گازها استفاده گردد. فوم فلزات دارای ساختاری شبیه اسفنج با فضا‌های خالی بسیار کوچک در داخل فلز می‌باشد. فضاهای خالی بیش از50% از حجم مواد را اشغال می‌کند. این مواد می‌توانند بصورت صفحات نازکی برش داده شوند. فلزی که برای این منظور انتخاب می‌گردد بایستی مقاوم و سبک باشد. تیتانیوم کاندید‌ای مناسبی برای این منظور می‌باشد. مقاومت الکتریکی تیتانیوم30 برابر کمتر از گرافیت بوده و در صورت پوشش دادن آن با نیترید ‌تیتانیوم مقاومت خوردگی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

جهت خنک کردن پیل از همان روش گفته شده در قسمت‌های قبلی استفاده می‌گردد با این تفاوت که بجای کانال‌ها از یک فوم فلزی که بین دو ورق فلزی نازک قرار گرفته است استفاده می‌شود. آبی که از درون این ‌فوم فلزی عبور می‌کند حرارت تولیدی در MEA را به بیرون منتقل می‌کند. مهم‌ترین مزیت این روش اینست که می‌توان از ‌فوم‌های فلزی آماده استفاده نمود و فرایند ساخت تنها شامل بریدن ‌فوم‌ها و سر هم کردن اجزای پیل می‌شود.

شکل3-11 استفاده از فلزات فوم شده در صفحات دوقطبی

پیل سوختی متانولی در حقیقت یک پیل سوختی پیلمری است که قادر است متانول مایع را مستقیما به عنوان سوخت مصرف کند از این رو الکترولیت آن مانند پیل سوختی پلیمری یک غشاء پلیمری ( عمدتاً NafIon ) می باشد الکترود آند از جنس آلیاژ پلاتین – روتینیوم ( pt – Ru ) و الکترود کاتد آن از جنس پلاتین است این پیل سوختی در محدوده وسیعی از درجه حرارت کار می کند و دمای کارکرد آن بین 120–60 درجه سانتیگراد متغییر است.

2-10 سیستم پیل سوختی

پیل سوختی ( Stack ) جهت تولید انرژی با راندمان بهینه نیازمند تجهیزات جانبی بنام سیستم پیل سوختی است که شرایط بهینه عملکرد برای پیل سوختی ، شامل خلوص سوخت ، مقدار هوا و سوخت ورودی به سری پیل سوختی ، رطوبت گازها و مدیریت آب ، کنترل دما و نهاتا فشار گازها در سیستم و سری پیلهای سوختی را کنترل نمایند

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

1) بخش سوخت رسانی ( مبدل سوخت و سیستم ذخیره هیدروژن )

2) بخش تولید انرژی شامل سری پیل سوختی و سیستم کنترل رطوبت ، فشار ، دما و دبی گازها

3) بخش تبدیل انرژی که مربوط به فصل مشترک پیل سوختی و مصرف کننده برق جهت تبدیل جریان و ولتاژ برق به ولتاژ وجریان مناسب می باشد.

سیستم ذخیره سوخت هیدروژن از قبیل ذخیره هیدروژن در مخازن تحت فشار ، بکارگیری نانوتیوبها ، بکارگیری جاذبهای هیدریدفلزی ، بکارگیری هیدریدهای شیمیایی و ... شامل شود

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

( CO2 ) تبدیل نماید

انواع مبدلهای سوخت عبارتند از:

1 ) مبدلهای با سیستم بخار ( Steam Reformer )

2 ) مبدلهای اکسیداسیون جزئی ( Partial Oxidation Refomer )

3 )مبدلهای اتوترمال ( Auto Thermal Reformer )

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

مزایا:

قابلیت استفاده از متانول مایع به عنوان سوخت چگالی قدرت بالا دما و فشار عملکرد پائین سادگی ساختار و مدیریت حرارت پیل ضریب اطمینان بالای سیستم حذف سیستم مبدل سوخت حذف سیستم پیچیده مدیریت آب و حرارت ( به علت همراه بودن سوخت با آب ) کاهش قابل ملاحظه ای وزن و حجم

معایب:

عبور متانول از غشاء و در نتیجه افت ولتاژ کلی پیل و به هدر رفتن سوخت پائین بودن عملکرد در مقایسه با دیگر پیلها استفاده از پلاتین در ساختار پیل پائین بودن فعالیت کاتالیست pt – ru در آند

کاربرد عملی :

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

نتیجه گیری:

پیلهای سوختی متانولی به دلیل راندمان بالا و آلودگی کم زمینه های کاربرد زیادی را پیدا نموده اند .

پیلهای سوختی متانولی در موارد گوناگون قابل استفاده بوده ودر مقایسه با سایر روشهای تولید انرژی الکتریکی از مزایای زیر بهره مند میباشند :

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

• پاسخ سریع به بار

• بی سر و صدا ، پاکیزه ، بدون لرزش ، انتشار حرارت کم

• سهولت توسعه

• امکان بهره برداری در غیاب اپراتور

• انتشار اندک در اکسید کربن

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.